KR20130119334A - 냉각된 잉크젯 장치 및 그러한 장치를 구현하는 방법 - Google Patents

냉각된 잉크젯 장치 및 그러한 장치를 구현하는 방법 Download PDF

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레미 빈센트
안느-가엘레 메르씨에르
크리스틴 나요제
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꼼미사리아 아 레네르지 아또미끄 에 오 에네르지 알떼르나띠브스
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Abstract

냉각된 잉크젯 장치 및 그러한 장치의 구현 방법이 개시된다.
본 발명에 따른 잉크젯 인쇄 방법에서, 잉크는 20℃ 보다 낮은 온도 또는 그와 같은 온도에서 분출되고, 유리하게는 -20℃ 내지 20℃ 사이의 온도에서 분출된다.
대응하는 장치는 다음중에서 선택된 온도 조절 시스템을 포함한다:
- 잉크 저장부를 냉각시키기 위한 시스템;
- 유리하게는 제 위치에 펠티에 소자(peltier effect)를 가진, 노즐의 냉각 시스템;
인쇄 장치 또는 노즐만을 수용하도록 의도되고, 유리하게는 제어된 온도 및 습도에 있는, 환경 시험 챔버.

Description

냉각된 잉크젯 장치 및 그러한 장치를 구현하는 방법{Refrigerated inkjet device and method implementing such a device}
본 발명은 희석제가 없는 잉크를 이용하여 노즐이 막히지 않는 잉크젯 인쇄를 수행할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 주위 온도보다 낮은 온도에서 잉크를 분출하는 것을 제공한다.
유리하게는, 본 발명은 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) 유형의 전지들에서 촉매 층을 형성하는 전자 분야에서 적용된다.
잉크젯 기술의 일반적인 원리는 콤퓨터에 의해 잉크의 작은 액적(drop)들을 투사하여 지향시키는 것이다. 잉크젯은 25 kHZ (drop on demand 또는 DOD) 내지 1 MHz(연속 잉크젯) 범위의 주파수에서, 25 내지 125 마이크로미터(8 피코리터 내지 1 나노리터) 사이 범위의 직경을 가지는 구형 액적(spherical drop)을 재생 가능하게 분배할 수 있다.
잉크젯 기술의 디지털 특성은 세로그래피(serigraphy), 플렉소그래피(flexography) 및 오프셋과 같은 통상적인 기술에 비하여 많은 장점들을 가진다. 마스크나 스크린 없이, 지지체들은 데이터를 저장하는 CAD 소프트웨어에 의해 인쇄된다.
잉크젯 프로세스에서 이용되는 잉크들은 노즐의 유출부에서 잉크가 마르는 것을 회피함으로써 노즐이 막히는 것을 방지하도록 적어도 하나의 희석제(humectant)로 형성된다. 높은 비등 온도 및 물에 대한 우수한 친화성 때문에, 에틸렌 글리콜, 글리세롤 및 프로필렌 글리콜이 일반적으로 잉크 조성물에서의 희석제로 이용된다.
폴리아킬렌 글리콜 아크릴레이트(polyalkylene glycol acrylate) 및 폴리에테르 아크릴레이트(plyether acrylate)와 같이, 자외선으로 처리될 수 있는 새로운 희석제를 개시하는 미국 특허 US 6,846,851 에는 희석제 없이 노즐을 막는 조성물의 예를 제시한다.
마찬가지로, 미국 특허 US 2005/0187321 은 잉크내의 희석제 비율이 너무 낮아서 노즐에서의 증발 비율이 너무 높게 발생됨으로써, 결과적으로 노즐이 막히는 것이 개시되어 있다.
따라서 잉크젯 방법으로 의도된 잉크는 희석제의 존재를 필요로 한다는 점이 당업자에게 명확하게 확립되었다. 더욱이, 잉크에 있는 희석제의 존재는 그래픽 아트와 같은 특히 표준적인 적용예에서 일반적으로 교란을 일으키지 않는다.
잉크젯 방법은 연료 전지 및 양자 교환 멤브레인(proton exchange membrane, PEM) 전기 분해의 분야에서도 적용된다. 이와 관련하여, 사용된 잉크는 플래티늄과 같은 촉매를 포함하는데, 이들은 특히 물리흡착(physisorption)과 같은 오염에 민감하다. 즉, 희석제들에 대한 경우에서와 같이, 높은 비등점을 가진 제품을 그러한 잉크 안에 도입하는 것은 물리 흡착에 의한 오염보다는 다른 메카니즘에 의해 일반적으로 전지 성능에 부정적인 영향을 미친다. 실제로, 활성층의 형성 및 건조중에, 그러한 제품들은 완전하게 증발하지 않고 활성층의 다공부(porosity) 안에 머무른다. 따라서 다공부의 감소는 촉매 장소들을 향하여 확산되는 기체의 용량을 감소시킨다.
따라서 그러한 적용예들을 위하여 의도된 잉크들은 가능한 한 가장 적은 첨가제들로 조성되어야 할 것 같으며, 가능하다면 희석제 없이 조성되어야 할 것 같다.
그러므로, 치사카(Chisaka) 및 다이구지(Daiguji)(M. Chisaka and H. Daiguji, Effect of glycerol on micro/nano structures of catalyst layers in polymer electrolyte membrane fuel cells, Electochim. Acta 51 (2006), pp. 4823-4833)는 잉크 안의 글리세롤의 너무 높은 비율이 전지 성능에 부정적인 영향을 미친다는 점을 나타내었다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 증발 추출에 의하여 활성층으로부터 잔류 글리세롤을 제거하는 것이 제시된다.
마찬가지로, Y.-G. Yoon (Y.-G. Yoon, G.-G Park, T.-H. Yang, J.-N. Han, W.-Y. Lee, C.-S. Kim, Effect of pore structure of catalyst layer in a PEMFC on its performance, Int. J. Hydrogen Energy 28 (2003) pp 657-662)은 촉매 잉크의 조성에서 에틸렌 글리콜의 27 및 60 % 의 도입 이후에 연료 전지 성능이 감소되는 것을 설명한다.
이미 언급된 바와 같이, 희석제 비율을 가능한 한 많이 감소시키거나 또는 희석제 비율을 억제하도록, 잉크젯 방법에 의해 연료 전지 전극들을 형성할 필요성이 있다.
그러나 오늘날까지 제공된 기술적인 해법은 잉크 안에 희석제의 존재를 유지하고 층이 인쇄된 이후에 희석제를 제거하는 것이다.
따라서 만약 가능하다면 잉크 조성으로부터 희석제의 존재를 제거함으로써 특히 잉크젯 장치 노즐들에서의 잉크 막힘을 제공할 수 있는 기술적인 해법을 찾을 명백한 필요성이 있다.
본 발명은, 주위 온도보다 낮은 온도에서 잉크를 분출할 수 있고, 따라서 용매의 증발 및 잉크젯 장치 노즐들의 막힘을 회피할 수 있는 온도 조절 시스템의 구현에 기초하고 있다.
실제에 있어서, 이것은 -20℃ 내지 20℃ 사이 범위의 온도에서 작동이 가능한 잉크젯 장치를 냉각시키기 위한 시스템을 설치하는 것을 포함한다.
주목되어야 하는 바로서, 종래 기술에서 노즐 냉각 시스템을 가진 잉크젯 시스템들이 이미 설명되었지만, 상이한 목적을 위한 것이었다. 따라서, 일 예로서, 미국 특허 US 6,648,443 은 잉크젯 노즐의 온도를 조절하기 위한 시스템을 제공한다. 이러한 시스템은 예를 들어 노즐을 가열 또는 냉각시킴으로써 온도를 조절할 수 있는 하나 또는 수개의 펠티어 소자 및 레지스터(registor)와 같은 가열 부재를 포함한다. 이러한 시스템은 예를 들어 너무 고온으로 가열한 이후에 노즐을 냉각시킴으로써 우수한 노즐 온도 조절을 제공하고, 따라서 배출의 재생성을 향상시키는 장점을 가진다. 이것은 또한 사용 이후에 노즐 온도를 감소시킬 수 있다.
그러나, 종래 기술에서, 주위 온도보다 낮은 온도에서 잉크젯 노즐들을 작동할 수 있는 가능성은 언급되지 않는다. 실제로, 즉석에서, 저온에서의 작동은 잉크의 부적절한 점도 및 표면 장력 때문에 배출 문제를 발생시킨다. 반대로, 당업자는 잉크 온도를 상승시켜서 (따라서 그것을 가열하여) 우수한 배출 용량을 가지게 하려는 경향이 있다.
따라서 본 발명은 당업자의 상이한 선입관들에 반하는 것으로서, 특히 잉크 조성에서의 희석제의 불가피한 존재 및, 고온에서, 적어도 주위 온도에서의 잉크 배출이 당업자의 상이한 선입관에 반하는 것이다.
따라서, 제 1 양상에 따르면, 본 발명은 잉크젯 인쇄 방법에 관한 것으로서, 그 방법에 따라서 배출된 잉크는 20℃ 보다 낮은 온도이거나 또는 그와 같은 온도이고, 유리하게는 -20℃ 내지 20℃ 사이의 범위이고, 보다 유리하게는 -20℃ 내지 10℃ 사이의 범위이다.
보다 상세하게는, 분출된 잉크 온도에 대한 하한이 유리하게는 -20℃ 보다 높거나 또는 그와 같다.
다른 제한에서, 바람직스럽게는, 분출된 잉크의 온도가:
엄밀하게 15℃ 보다 낮거나 또는,
10℃ 보다 낮거나 또는 그와 같고, 또는
엄밀하게 10℃ 보다 낮다.
즉, 종래 기술에서 주위 온도(일반적으로 25 내지 30℃ 사이 범위로서 간주되는 온도이며, 15℃ 정도로 낮아질 수 있다)와 적어도 같은 온도에서의 인쇄를 주창하고, 유리하게는 적어도 50℃ 에서 인쇄를 주창하지만, 본 발명은 주위 온도보다 낮은 작동 온도를 제공한다.
문제가 되는 온도는 배출된 잉크의 온도이고, 장치를 통해 이전되거나 또는 (예를 들어 저장부 안에) 저장된 잉크를 가지는 장치에서 유지되는 온도일 수는 없다.
본 발명과 관련하여 해결되어야 하는 기술적인 문제는 노즐이 잉크로 막히기 때문에, 작동 온도는 배출시에 잉크의 온도로서 간주된다. 이용된 장치에 따라서, 잉크 온도는 잉크 저장부 및/또는 노즐 레벨에서의 특히 온도 제어에 의하여 청구된 값들로 조절될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 방법은 그러한 작동 온도에서 희석제를 포함하는 잉크를 이용할 수 있다는 점을 특징으로 한다.
본 발명과 관련하여, 즉, 잉크젯 인쇄를 위한 잉크의 조성과 관련하여, 희석제는 노즐의 유출부에서 잉크의 건조를 회피하고 그것의 막힘을 방지할 수 있는 화합물로서 정의된다. 그러한 화합물은 특히 강한 친수성 및 우선적으로 높은 비등 온도를 특징으로 한다. 본 발명에 따른 화합물들의 바람직한 부류는 폴리올(또는 글리콜) 그룹 및, 보다 상세하게는 에텔렌 글리콜, 글리세롤, 및/또는 프로필렌 글리콜이다.
바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 -20℃ 내지 20℃ 사이의 온도 범위, 유리하게는 <15℃ 또는 ≤10℃, 또는 <10℃ 의 온도 범위에서 노즐 작동 및 희석제들의 억제를 조합하는 것을 특징으로 한다. 이러한 작동 모드는 표준적인 연료 전지 작동 온도(50-80℃)들에서 증발할 수 있는 용매만을 포함하는 잉크의 사용 필요성으로부터 결과되어, 전극 다공부의 막힘 또는 촉매의 임의적인 잔류물 오염을 회피한다.
최소 -20℃ 의 온도는 잉크 조성 및 용융점에 의해 부분적으로 설정되는데, 예를 들어 에탄올과 같은, 특정 용매들의 비율 증가는 그러한 용융점을 낮출 수 있다.
잉크 온도를 낮추는 것은 예를 들어 잉크 점도의 증가 또는 잉크 표면 장력의 개질(modification)과 같은 잉크 특성들의 개질을 야기할 수 있어서, 방법에서 이용하는 것을 더 어렵게 한다. 잉크의 조성 또는 실제 잉크젯 장치에 다음과 같은 일부 개질을 이룸으로써 그러한 어려움을 극복할 수 있다:
-잉크에 있는 건조 추출물을 감소시킨다. 즉, 활성 요소들에 대한 용매의 비율을 증가시킨다. 따라서, 그리고 유리하게는, 용매(들)가 잉크 질량의 적어도 90 %의 양이거나, 또는 95 % 이거나, 또는 99 % 이다. 보충적으로, 건조 추출물이 유리하게는 조성물 질량의 10 % 보다 적은 양이거나, 보다 유리하게는 5 % 보다 적거나, 또는 1 % 보다 적다.
-용매들의 비율을 변경시키는 것으로서, 예를 들어, 비율을 증가시키거나, 또는 낮은 용융점을 가진 용매들을 도입시킨다.
- 노즐에 작용하는 압전(piezoelectric)의 파라미터들을 설정한다.
이미 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 연료 전지 촉매 층들의 인쇄에 특히 유리한데, 왜냐하면 그것의 성능이 희석제의 잔류 존재에 의해 영향을 받기 때문이다. 따라서, 이러한 특정의 경우에, 잉크는 다음의 조성을 가진다.
- 촉매, 유리하게는 Pt/C;
- 이오노머(ionomer);
- 용매 시스템으로서, 유리하게는 물/에탄올 혼합물이며, 보다 유리하게는 50/50 또는 25/75 질량 비율을 가짐. 이미 언급된 바와 같이,잉크 용융 온도가 변경되도록, 이러한 질량 비율을 변경시킬 수 있고, 특히 에탄올 비율을 증가시킬 수 있거나, 또는 다른 용매를 도입할 수 있다.
바람직스럽게는, 용매 시스템에 존재하는 모든 용매들이 연료 전지의 작동 온도에서 증발되며, 상기 작동 온도는 일반적으로 50 내지 80℃ 사이의 범위이다.
그러나, 이러한 방법은 다른 적용예가 있을 수 있는데, 특히 건조 층에 존재하는 생성물들을 매우 정확하게 제어할 필요가 있는 것에서 그러하며, 예를 들어 인쇄 전자부(printed electronics), 배터리, (보안을 위한) 이펙트 인쇄물(effect printings)과 같은 것이다.
다른 양상에 따르면, 본 발명은 상기 설명된 방법을 수행할 수 있는 장치에 관한 것이다.
잉크젯 장치는 통상적으로 다음과 같은 것으로 형성된다:
-잉크 저장부;
-잉크 액적을 분출시킬 수 있는 하나 또는 수개의 노즐들;
-저장부들로부터 노즐(들)에 공급하기 위한 시스템.
본 발명에 따른 잉크젯 장치는 온도 조절 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는데, 온도 조절 시스템은 20 ℃ 보다 낮은 온도이거나 또는 그와 같은 온도, 유리하게는 < 15℃ 인 온도, 또는 ≤10℃ 인 온도, 또는 < 10℃ 인 온도, 그러나 유리하게는 ≥-20℃ 인 온도에서 잉크를 분출할 수 있다.
그러한 온도 조절 시스템은 몇가지 형태를 취할 수 있다. 다음과 같은 것일 수 있다:
-잉크 저장부를 냉각시키는 시스템; 및/또는
-노즐을 냉각시키는 시스템으로서, 유리하게는 펠티어 소자를 제 위치에 가지는 시스템; 및/또는
-인쇄 장치를 수용하거나 또는 노즐만을 수용하도록 의도된, 유리하게는 제어된 온도 및 습도에 있는 환경 시험 챔버(climatic chamber).
결과적으로, 청구된 방법이 유리하게는 제어된 온도 및 습도에 있는 환경 시험 챔버에서 발생된다.
더욱이, 주위 공기의 이슬점보다 낮은 온도에서 잉크젯 노즐들을 이용하는 것은 노즐에서의 (물 또는 얼음 형태의) 응축을 발생시킬 수 있고 잉크 분출을 개질(modification)시킬 수 있다. 따라서, 조정된 챔버내에 노즐들을 설치하거나 또는 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(Teflon (등록상표))과 같은 고도의 소수성(hydrophobic) 물질로 노즐들을 표면 처리하는 것은 그러한 응축을 회피할 수 있는 해법이다.
다른 실시예에 따르면, 청구된 장치의 잉크젯 노즐들은 응축을 회피하는 소수성 생성물로 덮히는데, 소수성 생성물은 예를 들어 Teflon 이라는 등록상표로 더 잘 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌(PFTE)와 같은 것이다.
본 발명이 구현될 수 있는 방식 및 결과적인 장점들은 오직 하나의 예로서 주어진 첨부된 도 1 과 관련하여 다음의 비제한적인 실시예들에 더 잘 나타날 것이며, 도면은 본 발명에 따른 잉크젯 장치를 도시한다.
본 발명은 PEMFC-유형의 연료 전지 전극의 촉매층의 인쇄와 관련하여 설명될 것이다. 따라서 필요한 활성 요소들은 한편으로 촉매로서, 유리하게는 카본 플래티늄(carbon platinum, Pt/C)이고, 다른 한편으로는 Nafion(등록상표) 유형의 이오노머(ionomer)이다. 더욱이, 잉크는 바이너리(binary) 50/50 물/에탄올 솔벤트 시스템에서 조성된다.
1/사용된 잉크젯 장치
본 발명에 따라서 이용된 장치는 도 1 에 도시되어 있다.
저장부(1)는 잉크를 노즐(2)로 전달하며, 노즐(2)은 잉크를 지지체(4)로 액적별로 분출한다. 저장부(1)는 예를 들어 유체의 흐름에 의해 냉각될 수 있어서, 잉크가 올바른 온도에서 분출될 수 있도록 충분히 냉각될 수 있게 한다. 또한 분출의 순간에 잉크를 냉각시키도록 노즐(2)에 직접적으로 부착된 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용할 수 있다. 보다 일반적으로는, 냉각 챔버(3) 안의 시스템을 이용하는 것이 생각될 수 있다. 물론, 다른 냉각 수단이 조합될 수 있다.
2/상이하게 시험된 잉크들의 조성:
상이한 잉크들이 시험되었다. 그들의 조성은 다음의 표에 주어져있다.
조성(in g) A B C
Pt/C 촉매 1 1 1
이오노머 1.13 1.13 1.13
물 6.3 6.8 13.6
에탄올 6.3 6.8 13.6
에틸렌 글리콜 1 0 0
2-1/주위 온도보다 높은 온도에서의 잉크 분출
상기 표에 개시된 잉크 A 는 대략 50℃ 의 분출 온도를 가진 표준 잉크젯 시스템에 완벽하게 적합화된다. 동일한 표준 작동 조건(T=50℃)에서, 그 어떤 희석제(humectant)(에틸렌 글리콜)도 없기 때문에 조성 A 와 실질적으로 상이한 잉크 B 는 잉크젯 장치 노즐들을 급속하게 막는 경향이 있다.
잉크 A 및 잉크 B 의 비교는 종래 기술에서 이미 보고된 바와 같이 희석제의 적극적이거나 또는 불가결의 존재를 나타낸다. 실제로, 표준적인 잉크젯 작동 조건들에서, 즉, 우수한 잉크 분출 용량에 유리한 주위 온도보다 높은 온도에서, 그러한 희석제는 노즐의 막힘을 방지한다.
2-2/주위 온도보다 낮은 온도에서의 잉크 분출
잉크 A 및 잉크 B 는 도 1 에 도시된 본 발명에 따른 장치에 의해 분출된다. 그 장치는 3℃ 정도의 주위 온도보다 낮은 작동 온도를 가진다.
그러한 작동 조건들에서, 온도가 낮아지는 것에 의해 점도가 증가하므로 잉크 A 및 잉크 B 는 물론 분출에 어려움을 겪는다. 따라서 잉크들의 분출을 위하여 더 큰 텐션(tension)이 필요하다. 그러나, 잉크들 및, 특히 잉크 B 는 노즐들을 막는 경향이 더 이상 없다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은 따라서 소위 통상적인 잉크들이 사용될 수 있게 하고, 현저하게는 희석제의 존재를 억제할 수 있게 한다.
잉크 C 의 조성은 잉크 B 의 조성에 대응하되, 용매의 양은 2 배가 되었다. 따라서, 촉매 및 이오노머(22 % 로 자체 희석됨)에서 발생되듯이, 인쇄되어야 하는 활성 요소들은 희석된다.
- 조성 B 의 건조 추출물 = 8.5 %
- 조성 C 의 건조 추출물 = 4.25%
조성 C 는 조성 A 및 조성 B 에서 있게 되는 분출의 단점을 더 이상 가지지 않으며, 노즐 막힘의 문제가 더 이상 일어나지 않는다.
1: 저장부 2: 노즐
4: 지지체

Claims (11)

  1. 잉크젯 인쇄 방법으로서, 상기 잉크젯 인쇄 방법에 따라서 분출된 잉크가 15℃ 보다 낮은 온도에 있고, 유리하게는 -20℃ 보다 높은 온도에 있거나 -20℃ 와 같은 온도에 있는, 잉크젯 인쇄 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    분출된 잉크의 온도는 10℃ 보다 낮거나 또는 10℃ 와 같으며, 유리하게는 엄밀하게 10℃ 보다 낮은 것을 특징으로 하는, 잉크젯 인쇄 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    잉크는 희석제를 포함하지 않고, 특히 에틸렌 글리콜, 글리세롤 또는 프로필렌 글리콜을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 잉크젯 인쇄 방법.
  4. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    잉크는 용매의 질량으로 적어로 95 % 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 잉크젯 인쇄 방법.
  5. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    연료 전지의 촉매 층의 인쇄를 위하여 구현되는 것을 특징으로 하는, 잉크젯 인쇄 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    잉크는:
    촉매로서, 유리하게는 Pt/C;
    이오노머(ionomer);
    용매 시스템으로서, 유리하게는 50 ℃ 내지 80 ℃ 사이 범위의 온도에서 증발될 수 있는, 용매 시스템(solvent system);을 포함하는 것을 특징으로 하는, 잉크젯 인쇄 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    용매 시스템은 물/에탄올 혼합물이고, 유리하게는 50/50 또는 25/75 질량 비율을 가지는 물/에탄올 혼합물인 것을 특징으로 하는, 잉크젯 인쇄 방법.
  8. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    환경 시험 챔버(climatic chamber)에서 발생되고, 유리하게는 제어된 온도 및 습도에서 발생되는, 잉크젯 인쇄 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 따른 방법을 수행할 수 있는 잉크젯 장치로서,
    15℃보다 낮은 온도, 또는 10℃보다 낮거나 10℃와 같은 온도, 또는 10℃보다 엄밀하게 낮은 온도 및, 유리하게는 -20℃ 보다 높거나 또는 -20℃와 같은 온도에서 잉크를 분출할 수 있는 온도 조절 시스템을 포함하는, 잉크젯 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    온도 조절 시스템은:
    잉크 저장부를 냉각시키는 시스템;
    유리하게는 제 위치(in situ)에서 펠티에 소자(Peltier effect)를 가지는, 노즐 냉각 시스템;
    인쇄 장치, 또는 오직 노즐들만을 수용하도록 의도된, 유리하게는 제어된 온도 및 습도에 있는, 환경 시험 챔버(climatic chamber);중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 잉크젯 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    노즐들은 응축을 회피하는 소수성 제품(hydrophobic product)으로 덮히는 것을 특징으로 하는, 잉크젯 장치.
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